Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi 1996
Citra Permukaan Sampel Dari Cu/Si(lOO) pada Scanning Tunneling Microscope (STM) dengan Polaritas Sampel Bias Yang Berbeda (1) R. Harry Arjadi[2], Laksmi Andri Astuti[3]
ABSTRAK CITRA PERMUKAAN SAMPEL DARI CU/SI(100) PADA SCANNING TUNNELING MICROSCOPE (STM) DENGAN POLARITAS SAMPEL BIAS YANG BERBEDA. Topografi pemlukaan sampel dapat memberikan infonnasi mengenai propreties dan struktur dari sebuah bahan terukur. Telah dikenal beberapa sistem pendukung dalam pengukuran topografi antara lain SEM, STEM dan STM. "Scanning Tunneling Microscope (STM) merupakan sistem pendukung yang tennasuk masih barD, dengan prinsip kerja menggunakan media arus tunel yang timbul diantara probe sensor dan pennukaan sampel. Citra yang ditampilkan oleh sistem STM ini akan tergantung dari besarnya arus tunel, tegangan bias yang diberikan dan polaritas dari tegangan bias yang digunakan. Sesuai dengan polaritas tegangan bias, maka kondisi pemlukaan sampel ada dalam dua kondisi yaitu : "EmptY Stage" dan "Field Stage". Ke dua kondisi tersebut akan memberikan resolusi citra yang berbeda dan tergantung darikebutuhan.
ABSTRACT SCANNING TUNNELING MICROSCOPE (STM) IMAGE OF Cu/Si (100) SURFACE SAMPEL WITH DIFFERENT SAMPLE BIAS POLARITY. The material propertiesand structure information can be shown by its surface topography. it has beenknown some supporting instrumentfor surfacetopographymeasurement,they are : SEM, STEM and STM. a new supportinginstrumentfor the topographymeasurement is known asa "ScanningTunnelingMicroscope(STM)", with using a tunnel currentwhich is generatedat the gap of probesensorand surfacesample.The STM image is dependon the current tunnel, voltage bias and the polarity of the voltagebias. According to the polarity of the voltage bias, there are two condition of the surfacesample,they are : "Empty Stage" and "Field Stage". The different resolutionof the image is generatedby thosetwo condition, and it is dependon the purposeof using the imagetopogrphy..
PENDAHULUAN. Sejak ditemukan sistem "Scanning Tunneling Microscope (STM)", maka sejak saat itu salah satu metoda untuk melakukan karakteristikbahanadalah ScanningTunneling Microscope (STM) yang digunakan untuk mengetahui struktur bahan pada ukuran atom[I,2].
Sepertidiketahuiadabeberapamacam alat ukur untuk mengetahuistruktur / topografi bahan terukur yang dikenal dengan SEM, Scanning Laser Force Microscope (SLFM), STEMdan yanglainnya. Prinsip kerja S1M adalah memanfaatkanawan elektron yang ada pada permukaanbahan teruji dan permukaanjarum pengukur sebagai sensor (Scanning Probe Sensor). Dengan memberikan medan listrik pada sampel dan jarum ukur, maka akan mengalir arus tunnel yang akan menjadi informasi dari keadaan permukaan sampel terukur. Citra yang dihasilkan oleh S1M ini akan tergantungdaTibeberapaparameteryang ada antara lain: arus tunnel yang digunakan, ketajamanjarum pengukur sebagaisensordan sampelbias yang diberikan pada kedua bahan elektrodatersebut. Dengan melihat parameter parameter diatas maka salah satu hal yang cukup perlu diperhatikan adalah parameter sampelbias yang digunakan.Besarnyasampel bias yang digunakan akan menentukanposisi 1Dipresentasikanpada Seminarllmiah PPSM 19% 2PuslitbangKalibrasi mstmmentasiMetrologi -LIPI, ~t 346
ProduksiRadioisotop-BATAN
ujungjarum diatas permukaansampelterukur, sedangkan polaritas sampel bias akan menentukan betuk citra yang dihasilkan. Sepertitelah diketahuibahwa prinsip kerja daTi STM ini adalah memanfaatkanarus tunnel yang timbuI diantara kedua bahan elektroda, maka kondisi permukaan sampel baik dalam kondisi "Empty Stage (elektron berasal dari jarum bergerak kearah permukaan sampel)" ataupun dalam kondisi "Field stage (elektron berasaldaTipermukaansampelbergerakkearah jarum pengukur)" akan ditentukan oleh polaritas sampelbias. Pada penelitian ini dilakukan percobaanpada sampel Cu/Si (100) dengan metoda yang digunakan adalah metoda arus konstan, dengan demikian arus akan dijaga pada harga tertentu selama pengukuran kemudian sampel bias dirubah polaritasnya. Besamya sampel bias yang digunakan pada salah satu kondisi diatas akan menentukan basil citra yang didapat. Arus tunnel yang digunakan pada percobaanini adalah sebesar 1.02 nA., daDbesamyateganganbias adalah 1.6 volts pada kondisi "field stage" daD teganganbias sebesar+ 1.09 volts untuk kondisi "emptystage". Dari basil percobaan yang didapat terlihat pengukuran untuk kondisi "Empty Stage" maupun "Field Stage" akan tetapi bentuk lembah ataupunpuncak dari topograpi permukaansampelmemberikankontrast yang berbeda. Dengan demikian dengan merubah
polaritas sampel bias yang digunakan, akan memberikangambar topographi yang berbeda hasilnya akan tetapi memberikan informasi yang sarna. Hal tersebut akan memberikan kemudahan dalam menganalisa sebuah permukaandari sampel.
Teori. Arus tunnel yang timbul pactaantara kedua bahan elektroda, yaitu ujung jarum pengukurdan permukaansampel,adalahmedia yang akan memberikan informasi permukaan dari sampelterukur. Besamyaarus yang timbul ditentukan olehgbeberapafaktor, antara lain: Jarak keduaelektroda tersebut(d), Sampelbias yang diberikanpactasampelterukur. Hubungan faktor -faktor tersebutdapatdituiiskan dalam persamaanl3] :
Gambar 1. Prinsip Dasar Scanning Tunneling Microscope. Metoda daDbasil -basil percobaan.
I ~ Cexp.(-2kod)
dengan :
I adalaharus tunel d adalah jarak jarum pengukurterhadappermukaansampel. A. Baratoff (1984y4] dalam makalahnya menyatakan bahwa konstanta C pada persamaantersebutdiatas adalah besaranyang tergantungdari besarnyateganganbias yang diberikan pada permukaan sampel terukur. BesarantersebutdituIiskan dalampersamaan:
c=
dengan e adalahteganganbias yang diberikan pada permukaansarnpelterukur, d adalabjarak keduaelektroda,A adalabluas keduaelektroda yang salingberhadapan. Dengan melihat kedua persarnaan diatas dapat terlihat babwa ares tunel yang timbul sangat tergantung pada besarnya teganganbias yang diberikan, disarnping luas sertajarak ujung jarum ukur dan permukaan sampelterukur. Sedangarab arus tunel yang timbul sangattergantungpada polaaritas daTi teganganbias pada sarnpelterukur, arab arus tunel tersebutdapat dilihat pada blok diagram prinsip kerja sistem"STM" padagambarI.
Pengukuran topografi permukaan sampeldengan menggunakanSPB (Scanning ProbeSensor),adalahmerupakanmetodayang digunakanpada instrument pendukung dalam penelitianilmu bahan(SurfaceScience). Dengan demikian juga, Scanning Tunneling Microscope (STM), menggunakan SPB yang berupa "needle probe" digunakan sebagai sensor untuk mendeteksi tinggi rendahnya permukaan sampel. Orde pengukuranyang dideteksiadalah dalam orde ukuran atom.Besaranyang dideteksidalam hat ini adalah arus tunel yang merupakan media dalam memberikan informasi tentang jarak antara ujung jarnm ukur dengan permukaan sampel. Sepertitelah diketahuibahwa ada tiga faktor yang mempengaruhibesarnyaarus tunel yang timbul, salah satu faktor yang cukup penting dalam menentukanhaasil pengukuran topografi ini adalah besarnya tegangan bias yang diberikan pada ujung jarum clan sampel. Hal tersebutakan menentukanjarak kerja dari ujung jarum terhadap permukaan sampel terukur. Selainbesarnyateganganbias tersebut, maka polaritas daTiteganganbias inipun akan sangat menentukan kondisi daTi basil pengukurantopografi daTipermukaansampel. Arah arus inilah yang akan menetukan kondisi dari permukaansampel, yaitu dalam kondisi "Empty stage (elektron berasal dari jarum ukur bergerak keaarah permukaan sampel)"ataupun"Field Stage(elektronberasal daTipermukaansampelbergerakkearah ujung
347
jarum ukur)". Kondisi ini akan menentukan image yang dihasilkan dalam pengukuran tCI~grafi dengansistemS1M. Pada penelitian ini dilakukan pengukuranpermukaansampeldaTiCu/Si(IOO) denga ukuran sebesar Ix I cm2, pada UHVSTM buatan "omicron" di WasedaUniversity. Metoda yang digunakan adalah metoda "Current Constant"dengankata lain arus tunel dijagakonstan. Pada percobaan pertama dilakukan pengukurandenganmenggunakansampelyang diberi tegangan bias lebih negatip dibandingkan dengan ujung jarum pengukur
J~~
(negatif sampel bias), dengan demikian pennukaan sampelakan mempunyai elektron lebihbanyakdan arus akanbergerakdari ujung jarum ke pennukaan sampel (field stage). Besarnyateganganbias yang diberikan adalah sebesar-1.6 volt dengan arus tunel dijaga konstan sebesar 1.02 nAp, daerah ukumya adalah sebesar800 A x 800 A dengan titik perubahansebesar1 A. Dengandemikian akan didapat image dengan 800 titik pada sumbu x wm terdapat 800garis padasumbuy. Gambar2 menunjukan image Cu/Si(IOO)dalam kondisi "field stage" dengan area image sebesar200A x 200 A.
,
r-&f'~,...f \1 j:.:k'i~,.
".~
Gambar2. Image Cu/Si(IOO)dalam kondisi"Field Stage" Pada percobaan ke dua dilakukan percobaandenganmerebah polaritas tegangan bias yang yang digunakan, sehingga permukaan sampel akan lebih positif dibandingkan dengan ujung jarom ukur. Dengandemikian jumlah elektron pada ujung jarom akan lebih banyak dibandingkan pada permukaan sampel, atau ares akan bergerak dari permukaan sampel menuju ujung jarorn ukur ( "Empty Stage"). Teganganbias yang
348
digunakan adalah sebesar+ 1.09 volt. dengan arus tunel dijaga konstan sebesar 1.02nAp., maka akan didapat image dari permukaan sampelyangmemberikanbentuk imagedengan informasi yang sarna,akan tetapi kontrast dati image yang didapat akan berlainan dibandingkan image dalarn kondisi "Field Stage".
'::1id
~~.,1 "~1.~ &.~IV;..." ~ ~
~~t~~1*;
Gambar3. Image Cu/Si(lOO)dalam kondisi "Empty Stage"
PEMBAHASAN. Percobaanyang telah dilakukan pada penelitian ini terlihat pada garnbar 2 daD garnbar 3, dimana dapat diketahui perbedaan basil pengukuran dari sarnpel terukur. Informasi yang diberikan oleh kedua garnbar tersebutadalah sarna akan tetapi lembah daD puncak yang ditunjukan oleh kedua gambar tersebut akan berbeda. Tonjolan puncak daD lembah dari permukaan sampel terlibat lebih jelas pada percobaandengan kondisi "Empty Stage"dibandingkanbasil pada kondisi "Field Stage", Hal tersebut disebabkanoleh adanya pancaran elektron dati ujung jarum menuju permukaan sarnpel,jadi terlibat gelombanggelombang dari permukaan sampel pada kondisi tersebutakan lebihjelas. Kedua kondisi tersebut sangat diperlukandalarn penggunaannyapada analisa basil pembahan permukaan sebuah sampel. Sebagaicontoh dalam hal sampelyang bempa sampelCu/Si(IOO),terlihat adanyarekonstruksi struktur bahan yang terjadi. Jadi ada kondisi kondisi tertentu yang memerlukanimage yang dihasilkanpada kondisi "empty stage"ataupun padakondisi "field stage". Pengukuran yang dilakukan seperti diatas menggunakan tegangan bias yang berbeda untuk kedua kondisi tersebut. Hal tersebut adalah digunakan untuk mendapat basil pengukuranyang lebihjelas untuk kondisi -kondisi tertentu. Selain besarnya tegangan bias yangdiatur, arus tunel yang digunakan
juga dapat diatur untuk mendapatkan basil pengukuranyangbaik. Salah satucaraadalah dengan membuatagar gap antara jarum daD permukaansampelterukur dibuat kecil sekali. Akan tetapihal ini akan mengakibatkanadanya kemungkinan ujung jarum akan menggores permukaan sampel selama pengukuran. Sehingga diperlukan ketelitian dalam menentukanjarak kedua bahan tersebut,agar jarum selamapengukurandapat menghindari kemungkinan menggores permukaan. Pada umumnya pengukuran topografi permukaan sampeldilakukan dalam kondisi "Field Stage", karenapengukuranpada kondisi ini akan lebih banyak keberhasilannya,dibandingkandengan pengukuran dengan kondisi "Empty Stage", hanya saja kondisi pengukuran ini tergantung juga dari kebutuhannya untuk menganalisa struktur bahan teruji. Seperti halnya pengukuran untuk kebutuhan dalam melihat perubahantinggi rendahnyapermukaansampel akan lebih mudah dilihat dengan image yang dihasilkan oleh pengukuran dengan kondisi "Empty Stage".Hal lain yang perlu diperhatikan dalam melakukan pengukuran dengan beda ~laritas tegangan bias adalah respon time daTi sistem "FeedbackControl" daTisistemyangdigunakan. Untuk pengukuranyang memerlukan kondisi pengukuran kondisi "Empty Stage" dan mendapatkanbasil pengukurandenganresolusi yang baik, dapat dilakukan dengan menggunakanteganganbias yang lebih kecil, hal tersebutakan menghasilkanjarak antara ujung jarum dengan permukaan sampel lebih
349
dekat.Hal tersebutjuga akan memberikanefek lain yaitu ada kemungkinan terjadi penggoresanujung jarum terhadappermukaan sampel.Akan tetapiada cara untuk menghidari hal tersebut , yaitu dengan membuat respon time sistem"feedbackcontrol" di percepatatau kecepatan scanning yang diperlambat. Sehinggakemungkinanterjadinya penggoresan dapatdihindari dan diperolehbasil pengukuran yangmempunyairesolusilebih tinngi.
KESIMPULAN. Dari percobaantersebutdidapatbahwa pengukurantopografi dengansistem"Scanning Tunneling Microscope" ini acta dua metoda, ditijau dari cara pemberianteganganbias pada sampel. Kedua image yang dihasilkan akan mempunyaikontrast yang berbedaakan tetapi memberikaninformasi yang sarna. Perbedaan yang paling menonjol dari kedua image tersebut adalah tonjolan puncak dan lembah yang berbeda,pactakondisi "empty stage"akan memberikantonjolan -tonjolan yang lebihjelas dibandingkan image yang dihasilkan oleh pengukuranpadakondisi field stage. Pengukuran dalam kondisi "Empty Stage akan memberikan gambar yang lebih jelas, akan tetapi harus mengaturagar posisi ujung jarum diatas permukaan sampel lebih dekat. Hal tersebut akan memberikanketidak stabilan yang tinggi, daD ada kemungkiruln
350
terjadinya benturan ujung jarum pengukur denganpermukaansampel. .Ucapan Terima Kasih. Dalam penulisanini sayaucapkanterima kasih kepada Prof. Ichinokawa,yang telah memberi kesempatankepada penulis untuk melakukan penelitian di Lab. Ichinokawa, Waseda University, Tokyo -Japan. Juga saya sampaikanterima kasih kepada To shu An, Lab. Ichinokawa,Waseda-University, Tokyo Japan, yang telah memberikan sampelnya untuk percobaanpadapenelitianini. DAFTAR PUSTAKA:. 1. BINNIG, G. clan ROHRER, H (1983), Scanning Tunneling Microscopy, Surface Science,126,p. 236 -244. 2. ARJADI, H.R., (1992), Disain dan konstroksi STM untuk penelitian topografi clan properties polimer lapisan tipis yang didepositkan paada bahan konduktor, Publikasi ilmiah pertemuanclan presentasi ilrniah PuslitbangKIM -LIPI, p. 82 -104. 3. DEKKER, A.J., (1970), Solid State Physics,Macrnilan,London. 4. BARATOFF, A., (1984), Theory of ScanningTunneling Microscopy-Methods and Approximations, Physica, 127B, p. 143 -150.
